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碳纖維及復(fù)合材料在電線電纜中的應(yīng)用

2017-03-27 16:30:04 作者：本網(wǎng)整理來源：遠(yuǎn)東復(fù)合技術(shù) 分享至：

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    碳纖維以其固有的特性賦予了其復(fù)合材料優(yōu)異的性能，它具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能，從而為其在電線電纜行業(yè)中的應(yīng)用提供了可能和必然。

    （一）碳纖維加熱電纜的開發(fā)和應(yīng)用

    人們早就知道，以金屬材料為發(fā)熱體的電加熱技術(shù)已在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是金屬絲在高溫狀態(tài)下表面易氧化，由于氧化層不斷的增厚，造成了有效通過電流的面積減小，增大了電流的負(fù)荷，因此易燒斷。在相同的允許的電流負(fù)荷面積下，金屬絲的強度比碳纖維低6-10倍，在使用過程中易折斷。

    碳纖維是一種石墨的六方晶格層狀結(jié)構(gòu)組成，是一種全黑體材料，因此在電熱應(yīng)用中，表現(xiàn)出來的電熱轉(zhuǎn)換效率高。在特定的條件下，高溫不氧化，單位面積的電流的負(fù)荷強度和機械強度不發(fā)生改變。

    目前碳纖維加熱電纜的應(yīng)用如下：

    低溫輻射發(fā)熱電纜地板采暖系統(tǒng)。

    恒溫育雛箱、花房、苗圃、蔬菜大棚等保溫采暖。

    道路化雪、機場跑道化雪：用于混凝土結(jié)構(gòu)中樓面加熱的理想產(chǎn)品，也可以用在融雪裝置中，對屋面雨水和排水管進(jìn)行防霜，還可以用于土壤加熱。

    管道、罐體保溫防凍：電伴熱產(chǎn)品近幾年在中國得到了大力的推廣和廣泛的應(yīng)用。其應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在石油、化工、電力、鐵路和民用或商業(yè)建筑等。隨著中國電力工業(yè)的發(fā)展，以清潔、無二次污染的電能為主要能源的電伴熱產(chǎn)品市場前景非常廣闊，同時，也為電伴熱產(chǎn)品的性能提出了更高的要求。

    足球場草坪、公共綠地土壤保溫：太陽能熱水器電能補充加熱器，主要用于在長期陰雨天或寒冬季節(jié)，因光照不足而導(dǎo)致太陽能熱水器水溫不能滿足生活、工程需要時，為補充熱能而設(shè)計的。它具有較強的耐酷暑、嚴(yán)寒和高溫潮濕環(huán)境的性能，并具有防干燒的功能。即使偶爾水箱缺水誤通電，也不至于燒壞電加熱器和水箱，故能確保安全使用。

    （二）碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的開發(fā)和應(yīng)用

    我國是個缺電的國家，不僅發(fā)電業(yè)的發(fā)展滯后，輸電業(yè)的弊端也凸現(xiàn)出來，輸電線路已不堪承受傳輸容量快速擴容的需求，由于過負(fù)荷造成的停電、斷電故障頻頻發(fā)生，電力傳輸成為電力工業(yè)發(fā)展的“瓶頸”，各國均在研究新型架空輸電路用導(dǎo)線，以取代傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線由此應(yīng)運而生。與鋼芯鋁絞線相比，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線具有以下優(yōu)點：

    1、和同樣直徑的acsr電纜相比，可以提供雙倍的載流容量。

    2、有效解決電纜下垂問題。

    3、可以在更高的溫度下工作，最高可達(dá)200攝氏度。

    4、線芯可以抗腐蝕，而且沒有雙金屬間腐蝕問題。

    5、因為可以提供更高的載流容量，所以同時也有效的降低了工程成本。

    6、與相同直徑傳統(tǒng)電纜相比可以多容納28%的導(dǎo)體。

    7、高強度線芯可以有效減少電纜架的數(shù)量，或降低電纜架的高度。

    8、有效減少電纜下垂，使地面生物更加安全。

    除了上述提及的優(yōu)點外，還可減少傳輸中電力的損耗，減少20%的塔桿，節(jié)省用地，減少有色金屬資源消耗，有助于構(gòu)造安全、環(huán)保、高效節(jié)約型輸電網(wǎng)絡(luò)。目前世界上只有美國和日本開發(fā)出這種新型導(dǎo)線，他們還達(dá)成默契：不向第三國輸出，日本一家碳纖維導(dǎo)線企業(yè)的產(chǎn)量就占到世界40%左右。目前我國電線電纜研究所、電力建筑研究院以及國家電網(wǎng)有限公司都已經(jīng)開始了對accc導(dǎo)線的試驗研究工作。國內(nèi)電纜廠家也加大與外方合作，將這種新型電纜引進(jìn)到中國生產(chǎn)，積極推動我國架空輸電線路的技術(shù)革命。最近福建電網(wǎng)已經(jīng)將該新型導(dǎo)線架設(shè)運行。

    （三）在高低溫、腐蝕等苛刻環(huán)境應(yīng)用的可能碳纖維細(xì)如蛛絲，三型碳纖維比強度是鋼的62倍以上，成形工藝性好，是一代新型工程材料，其彈性量高，抗變性能力比鋼大2倍多，抗拉強度30～40t/cm2pa,而比重還不到鋼的四分之一，是鋁合金的二分之一，高彈模量比鋼鐵大16倍，比鋁合金大12倍。且碳纖維比鋼等柔軟。因此，碳纖維可用于要求能承重、不易損傷內(nèi)部元件的電纜的加強芯，如海底光纜等。

    碳纖維可以耐-180℃的低溫，在此條件下，許多材料都變的很脆，連堅固的鋼鐵也變的比玻璃還容易碎，而碳纖維在此條件下依舊很柔軟。因此，碳纖維復(fù)合芯可用于極地（如南極考察研究等）條件下輸電載體的設(shè)計和制造。碳纖維又可以耐3000℃～3500℃的高溫，在此高溫下最好的耐熱鋼也變成鋼水，但在沒有氧氣的情況下，碳纖維沒有變化。

    碳纖維即使從3000℃的高溫快速冷卻到室溫也不會炸裂，因而可在急冷急熱的環(huán)境中工作。這為鋼鐵、冶金、鍋爐等行業(yè)中高溫特高溫場合電纜的設(shè)計提供了可能。此外，碳纖維紗、碳纖維繩、碳纖維布都可用于消防電纜產(chǎn)品的設(shè)計選用。

    碳纖維有超強的耐腐蝕性。金屬中耐腐蝕性最強的是黃金和鉑，在一份硝酸（濃%）和三份硫酸（濃度39%）配成的稱“王水”的溶液中黃金、鉑會被腐蝕的千瘡百孔，而“王水”中的碳纖維卻安然無恙。為各種化學(xué)環(huán)境下輕型耐化學(xué)腐蝕電纜的設(shè)計提供了新的思路。

    (四)、發(fā)展建議

    碳纖維材料的產(chǎn)業(yè)化是實現(xiàn)碳纖維導(dǎo)線在國內(nèi)輸電行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化的前提和保證。碳纖維材料價格則是制約產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。

    我國從八十年代初期開始起步，加大了對碳纖維材料的研究和開發(fā)力度，并也著力于碳纖維材料產(chǎn)業(yè)化基地的建設(shè)，但由于國外設(shè)備、技術(shù)封鎖，至今未見重大突破，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定性，預(yù)計今后每年仍然有較大的缺口。